DE3919920A1

DE3919920A1 - Einrichtung zum messtechnischen erfassen des temperaturverlaufs einer metall- oder metallegierungsschmelze

Info

Publication number: DE3919920A1
Application number: DE3919920A
Authority: DE
Inventors: Friedrich W Dr Thomas
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1989-06-19
Filing date: 1989-06-19
Publication date: 1991-01-03
Also published as: US5100111A; DE3919920C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum meßtechnischen Erfassen des Temperaturverlaufs einer Metall- oder Metallegierungsschmelze in einem Behälter, der von einer Heizeinrichtung und einer Abkühleinrichtung beeinflußbar ist.

Bei der Erfassung von Temperaturen kann man zwischen einer punktuellen und einer flächigen Temperaturerfassung unterscheiden. Bei der punktuellen Temperaturerfassung ist nur die Temperatur an einem bestimmten Punkt interessant, während andere Bereiche ohne oder von geringerer Bedeutung sind. Beispiele für punktuelle Temperaturmessungen sind die medizinische Fieber-Messung oder die Raumtemperaturmessung für Heizungsregeleinrichtungen. Bei der flächigen Temperaturmessung ist es wichtig, die Temperaturen an mehreren Orten gleichzeitig festzustellen, um etwa den Verlauf von Temperaturgrenzen zu ermitteln. Hierzu werden oft Infrarotkameras verwendet, die ganze Flächen abbilden und jedem Punkt dieser Flächen eine Temperatur zuordnen. Beispiele für die flächige Temperaturerfassung sind in der Medizin die Früherkennung von bestimmten Krebsarten oder in der Geologie die klimatische Untersuchung von Boden- und Wasseroberflächen. Die Aufnahme eines Wärmebildes von Bord eines Hubschraubers oder eines Flugzeugs verschafft schnell Angaben über die Temperaturverteilung eines ausgedehnten Gebiets, das mit punktuellen Meßverfahren nicht zu erfassen wäre.

Während bei der punktuellen Wärmeerfassung ein wärmeempfindliches Element in der Regel mit dem zu messenden Medium in Kontakt ist, handelt es sich bei der flächigen Temperaturerfassung fast ausschließlich um eine berührungslose Temperaturmessung.

Es ist bereits bekannt, für punktuelle Temperaturmessungen Ausdehnungs thermometer, Thermoelemente, Widerstandsthermometer oder Halbleiter- Thermometer einzusetzen und für die flächige Temperaturerfassung Strahlungsthermometer oder Wärmebildkameras zu verwenden (L. Weichert, Temperaturmessung in der Technik, 4. Auflage, 1987).

Bei der Herstellung hochwertiger Metalle oder Metallegierungen wird im allgemeinen eine punktuelle Temperaturmessung der Schmelze vorgenommen, um aufgrund der ermittelten Schmelztemperatur bestimmte Regelungsvorgänge zu steuern. Dabei finden hauptsächlich Thermoelemente mit Schutzrohren aus Keramik Anwendung, die mit der Schmelze in Kontakt gebracht werden (DE-AS 27 16 884, US-PS 29 75 225, GB-PS′en 6 27 610, 10 95 812, 12 52 537, 13 20 820, 14 58 559, GB-A 21 12 570, 21 55 238, US-PS 34 67 542, US-PS 43 96 792, UdSSR-Patente 5 73 726, 11 91 751).

Es ist indessen auch bekannt, Erstarrungsfronten und dergleichen in Schmelzen mittels besonderer Thermoelement-Anordnungen zu erfassen (DE-OS 17 98 013, GB-A 21 25 169, JP-OS 57-94 625, US-PS 32 04 460, Fig. 1a in US-PS 34 36 520, Fig. 4 in US-PS 36 22 678, DE-OS 37 16 145). Auch in diesen Fällen werden die Thermoelemente mit der Schmelze selbst in Berührung gebracht.

Thermographen, mit denen ein Wärmebild von größeren Flächen erzeugt werden kann, sind als solche ebenfalls bekannt (M. Gonzales, Les applications industrielles de la thermographie infrarouge, CETIM- Informations No. 96, Juni 1986, S. 34 bis 40).

Es ist darüber hinaus bekannt, derartige Thermographen in Gießereibetrieben und dergleichen einzusetzen (A. Ward, D. R. Ferrell: Practical Application of Infrared Thermographic Inspection Techniques, America Foundrymen′s Society Transactions, 1980, S. 127 bis 136; T. W. Petrie, J. T. Scoville: Infrared Camera and data-acquisition system in Doublet III, Rev. Sci. Instrum. 56 (6), Juni 1985, S. 1156 bis 1159; H. Krause, K. Schiebold, J. Strelow: Thermografie, eine moderne Methode der Temperaturmessung, Gießereitechnik, 1986, S. 50 bis 55; H. Heine: Temperature Measurement, FOUNDRY management & technology, 2, 1987, S. 25 bis 31; A. E. Torok, P. C. Wilson in Technology for Premium Quality Castings, Eds. E. Dunn, D. R. Durham, The Metallurgical Society, 1988, "Recent developments in aluminium foundry technology", Seite 78). Aus der letztgenannten Veröffentlichung ist es auch bekannt, während des Erstarrens die Wärmegradienten zu erfassen, um Gießfehler zu erkennen.

Die bekannten Fernseh-Thermographiegeräte arbeiten in der Regel mit einer optoelektrischen Abtastung der Objektoberfläche. Dabei erzeugt die von den Objekten ausgehende Strahlung im nahen Infrarotbereich ein Ladungsbild auf einem infrarotempfindlichen Detektor. Durch zeilenweises Abtasten des Ladungsbildes wird ein Signal gewonnen, in dem die örtlichen Unterschiede in der Strahlungsintensität als zeitliche Folge von Amplituden schwankungen enthalten sind. Auf einem Monitorbildschirm erzeugt dieses Videosignal eine der Strahlungsintensität äquivalente Leuchtdichte. Es entsteht ein optisch wahrnehmbares Wärmebild. Thermografieanlagen dieser Art arbeiten etwa in einem Temperaturbereich von 350 bis 1700°C, der durch entsprechende Blenden- und Filterkombinationen in mehrere Teilbereiche gliederbar ist. Die Temperaturauflösung beträgt ca. 2°K (Gießereitechnik, a. a. O., S. 51).

In der Gießereitechnik werden Thermographen u. a. dazu verwendet, Feuerfestausmauerungen in Hochöfen, Schmelz- und Trockenöfen ohne Betriebsunterbrechung zu erkennen. Mittels Infrarotüberwachung werden auch unplanmäßige Betriebsausfälle vermieden, indem bereits sich entwickelnde Fehlstellen erkannt werden, bevor sie einen Produktionsstopp bewirken. Qualitative Infrarotdaten sind außerdem geeignet, auf Energie verluststellen hinzuweisen.

Ein besonderes Problem bei der Herstellung hochwertiger Metalle und Metallegierungen ist die Erfassung der Position und der Fortschreitungs geschwindigkeit der Kristallisationsfront, insbesondere bei gerichteter Er starrung, d. h. des Übergangs vom flüssigen zum erstarrten Metall, denn der zeitliche und räumliche Verlauf des Kristallisationsvorgangs wirkt sich unmittelbar auf die Qualität der Metalle und Metallegierungen aus.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Position und Fort schreitungsgeschwindigkeit der Kristallisationsfront mittels eines Thermo grafiegeräts, das z. B. eine Vidikon-Fernsehaufnahmeröhre, eine pyro elektrische Wärmebildröhre bzw. ein Pyrotron oder Pysicon sein kann, zu erfassen.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß durch punktweises Abtasten einer Gießformoberfläche oder dergleichen Temperaturunterschiede der Gießform erkannt und unter Zuhilfenahme bekannter mathematischer Beziehungen die Erstarrungsfront eines Schmelzguts und deren Fortschreiten ermittelt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1a eine Prinzipdarstellung einer Gießform mit einer Metallsäule, die im oberen Bereich flüssig und im unteren Bereich erstarrt ist;

Fig. 1b eine Kurvendarstellung, welche den Temperaturverlauf längs der vertikalen Achse der Gießform zeigt;

Fig. 2 einen Vakuumofen mit angeschlossener Infrarot-Überwachungs kamera;

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung des Regelschemas einschließlich der Infrarotkamera, die den Phasenübergang der Schmelze über wacht;

Fig. 4 eine Anordnung, mit welcher die Erstarrungszone eingestellt werden kann.

In der Fig. 1a ist eine zylindrische Gießform 1 im Schnitt gezeigt, die auf einer Abkühlplatte 2 angeordnet ist und in ihrem Innern ein Metall, eine Metallegierung oder dergleichen enthält. Das Metall bzw. die Metallegierung weist hierbei drei Zonen auf: die Zone 3, in welcher das von oben kommende Metall noch flüssig ist, die Zone 4, in welcher das durch die Abkühlplatte 2 abgekühlte Metall bereits erstarrt ist, und die Zone 5, in welcher das flüssige Metall erstarrt. Die Zone 5 ist ideal als waagerechte Linie dargestellt und mit der Erstarrungsfront des Metalls identisch. In der Fig. 1a ist gewissermaßen eine Momentaufnahme des Erstarrungs prozesses eines Metalls dargestellt, bei der sich die Erstarrungsfront 5 gerade etwa in der Mitte befindet. Wird gemäß der Beispielszeichnung 1a von oben her nicht weiter aufgeheizt und über die Abkühlplatte gekühlt, so wandert die Erstarrungsfront immer weiter nach oben, und zwar mit einer Geschwindigkeit V_E, die durch einen nach oben gerichteten Pfeil 6 angedeutet ist. Die Geschwindigkeit V_E ist hierbei ein Vektor, der die Richtung der z-Achse 7 hat.

Sind alle Zonen 3, 4, 5 erstarrt, so kann die Abkühlplatte 2 weggenommen und der metallische Körper, der von der Gießform 1 eingeschlossen ist, aus der Gießform entnommen werden. Dicht unterhalb der Erstarrungsfront 5 und auf der rechten Seite der Gießform 1 ist ein erstes Thermo element 8 vorgesehen, das mit seinem einen Ende in die bereits erstarrte Zone 4 eingeführt ist, während sich sein anderes Ende außerhalb der Gießform 1 befindet. Die Temperatur am inneren Ende des Thermo elements 8 ist dabei mit T₈ bezeichnet. Auf entsprechende Weise wird die innere Temperatur T₉ eines zweiten Thermoelements 9 bezeichnet, das in die flüssige Zone 3 des Metalls hineinragt. Die z-Koordinaten der beiden Thermoelemente 8, 9 sind mit z₈ bzw. z₉ angegeben.

Diese beiden punktförmigen Temperaturen T₈, T₉ sagen nur wenig über die Funktion T=f(z) aus, d. h. über den Temperaturverlauf entlang der z-Achse. Dieser Temperaturverlauf ist indessen bei Legierungen von Interesse, und zwar insbesondere der Verlauf der Erstarrungsfront 5 in Abhängigkeit von der Zeit.

In der Fig. 1b ist die Funktion T=f(z) zu einem bestimmten Zeitpunkt, z. B. zur Zeit t₁, dargestellt. Die Kurve 10 zeigt somit den räumlichen Temperaturverlauf in der Gießform 1 zu der Zeit t₁, welche auch für die Momentaufnahme der Fig. 1a gilt. Anders ausgedrückt stellt die Kurve 10 die Funktion T=f(z)_t=t₁ dar. Man erkennt hierbei, daß an der Phasengrenze 5 der Gradient dieser Kurve 10 besonders ausgeprägt ist. Kombiniert mit der Erstarrungstemperatur T_sol läßt sich somit die Erstarrungsfront ermitteln. Mittels der beiden Thermoelemente 8 und 9 ließe sich die Kurve 10 nicht ermitteln, da hierzu eine sehr große Zahl von Thermoelementen erforderlich wäre. Mit den beiden Thermoelementen 8 und 9 ist es allenfalls möglich, einen Temperaturgradienten nach der Formel

zu errechnen, was aber nur einen groben Näherungswert darstellt. Erst bei unendlich vielen Thermoelementen, die parallel zur z-Achse übereinander angeordnet sind, ergibt sich die Temperatursteigung zu

Die Abkühlungsgeschwindigkeit des gesamten in der Gießform 1 befindlichen Metallzylinders ist um so größer, je schneller die Erstarrungsfront 5 nach oben wandert. Es gilt also

= K · V_E

wobei V_E die Erstarrungsfront ist (vgl. F. Hediger, Rechnerische Simulation und Meßwerterfassung zur Prozeßoptimierung der gerichteten und ein kristallin-gerichteten Erfassung von Superlegierungen, Fortschr.-Ber. VDI- Reihe 2 Nr. 158, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1988). Der Proportionalitätsfaktor K entspricht hierbei grad T, so daß für die Abkühlungsgeschwindigkeit gilt

= grad T · V_E

Die Abkühlgeschwindigkeit vor der Erstarrungsfront ist geometrisch zu interpretieren als die Steigung der Tangente an die Zeit-Temperaturkurve T(t) im Zeitpunkt (t₂, T₁). Die mittlere Erstarrungsgeschwindigkeit V_E in z-Richtung wird näherungsweise berechnet nach

wobei z_i, z_i+1 ofenfeste Koordinaten zweier übereinanderliegender Meß stellen und V_A der Istwert der Absenkgeschwindigkeit bedeuten. Die in der Fig. 1b gezeigte Kurve stellt die Verhältnisse für den Zeitpunkt t₁ dar. Es ist selbstverständlich möglich, für jeden anderen Zeitpunkt einen Ort-Temperatur-Polygonzug im ofenfesten System z zu zeichnen. Die Steigung der einzelnen Polygonzüge bei Liquidustemperatur ist dann eine Näherung für den Temperaturgradienten vor der Erstarrungsfront.

Das Verhalten der Phasengrenze 5 ist vom jeweiligen Material abhängig, das sich in der Gießform 1 befindet. Reine Stoffe sowie eutektische Legierungen und Mischungen ändern ihren Aggregatzustand oder ihre Modifikations form bei bestimmten, für jede Stoffart charakteristischen Um wandlungstemperaturen; dabei wird sogenannte latente Wärme oder "Um wandlungsenthalpie" freigesetzt oder gespeichert. Nichteutektische Legierungen und Mischungen zeigen diese Phasenänderungseffekte innerhalb eines Temperaturintervalls und sind deshalb mathematisch schwieriger zu be handeln. Insgesamt wird die mathematische Beschreibung von Erstarrungsvorgängen auch durch das Wandern der Bereichsgrenzen, vor allem aber durch eine aus der lokalen Enthalpieumsetzung resultierende nichtlineare Phasengrenzbedingung sehr erschwert (vgl. U. Grigull, H. Sandner: Wärmeleitung, Springer Verlag, 1986, S. 124 bis 125).

In der Fig. 2 ist eine geschnittene Seitenansicht eines Vakuumofens 20 für die gerichtete Erstarrung einer Schmelze 21 dargestellt. Dieser Vakuumofen 20 weist beispielsweise drei zylindermantelförmige Graphitheizelemente 22, 23, 24 auf, die durch eine Isolation 25 bis 30 vor Wärmeverlusten geschützt sind. Zwischen den Heizelementen 22 bis 24 sind aus elektrischen Isolationsgründen Lücken 31, 32 vorgesehen. Die elektrischen Anschlüsse der Heizelemente 22 bis 24 sind in der Fig. 2 nicht dargestellt. Die Heizelemente 22 bis 24 sind erforderlich, um die Schmelze 21 flüssig zu halten und um durch einen möglichst eindimensionalen Wärmefluß eine gerichtete Erstarrung der Schmelze 21 zu bewirken. Damit der für die Erstarrung der Schmelze 21 erforderliche Temperaturgradient definiert erzeugt wird, ist eine Kühlstrecke 33 (Baffle) neben und unterhalb des Isolationsbereichs 29, 30 vorgesehen. Relativ zu dieser Kühlstrecke 33 kann sich ein Kühlkopf 34 vertikal frei bewegen, der von einem Hitzeschild 35 umgeben ist. Der Kühlkopf 34 weist eine zuführende Wasserleitung 36 und eine abführende Wasserleitung 37 auf, durch welche das Kühlmittel Wasser strömt. Ein weiteres zuführendes Wasserkühlrohr 38 ist innerhalb der Kühl strecke 33 und unterhalb des Isolationsbereichs 29 vorgesehen. Das entsprechende abführende Wasserkühlrohr ist in der Fig. 2 nicht zu erkennen, da es vom Wasserkühlrohr 38 verdeckt ist. Die Kühlung mit Hilfe des Wasserkühlrohrs 38 ist erforderlich, damit dann, wenn eine Formschale 39 abgesenkt wird, in der sich das Schmelzgut 21 befindet, der Temperatur gradient durch Abstrahlen der Wärme von der Formschale 39 definiert eingestellt wird.

Die Schmelze 21 wird mittels eines Eingießtrichters 40, der ein relativ langes Rohr 41 mit einer kleinen Öffnung 42 aufweist, in die Gießform bzw. Formschale 39 eingelassen, die aus einem oberen trichterförmigen Gebilde 43 und einem unteren Rohr 44 besteht, das oberhalb des Kühlkopfs 34 angeordnet ist. Zwischen dem trichterförmigen Gebilde 43 und dem Rohr 44 ist ein Keramikfilter 45 angeordnet, das nach dem Eingießen der Schmelze 21 noch mit dieser Schmelze 21 bedeckt ist. Statt eines Rohrs 44 kann auch eine Gießform vorgesehen werden, die beliebige andere Geometrien aufweist, beispielsweise die Geometrie einer Turbinenschaufel. Die Gießform oder Formschale 39 besteht vorzugsweise aus einer Keramikmasse, die nach dem Gießvorgang zerstört wird.

Die Schmelze 21 selbst ist in der Fig. 2 in drei Bereiche unterteilt: in eine Zone 46 mit flüssigem Metall, eine Zone 47 mit erstarrtem Metall und eine Zone 48, in der das Metall gerade erstarrt. Mit Hilfe eines an sich bekannten elektronenoptischen Bildwandlers 49, der sich in einer mit einem Schutzglas 50 abgeschlossenen Wärmeschutzhülle 51 befindet, die in den Vakuumofen hineinragt, wird die der Erstarrungszone 48 benachbarte Gießformoberfläche sowie der darunter und darüber liegende Bereich erfaßt. Eine Infrarot-Linsenoptik 52 bildet den gesamten erfaßten Bereich als Infrarotbild 53 auf einer Foto kathode 54 ab. Von dieser Fotokathode 54 werden je nach der Intensität der auffallenden Strahlung mehr oder weniger freie Elektronen ausgesendet. Bei Verwendung hochempfindlicher Multialkali-Kathoden kann der Empfindlichkeitsbereich bis etwa 1,3 µm ausgedehnt werden. Die von der Fotokathode 54 kommenden freien Elektronen werden durch das elektrische Feld einer Elektronenoptik 56 so beschleunigt, daß ihre Energie beim Auf treffen auf einen Leuchtschirm 57 ausreicht, ein sichtbares Bild 58 zu erzeugen. Dieses Bild 58 kann nun mit einem Okular betrachtet oder elektronisch ausgewertet werden. Es versteht sich, daß der elektronenoptische Bildwandler nur als Beispiel für eine Einrichtung gewählt ist, welche den Bereich um die Erstarrungszone als Wärmebild wiedergibt. Es könnten auch ein Evaporgraf, eine spezielle Vidikon-Fernsehaufnahmeröhre, eine pyroelektrische Wärmebildröhre, ein optisch-mechanisches Abtastsystem (vgl. DE-OS 29 23 240) oder eine andere Infrarotkamera verwendet werden.

In der Fig. 3 ist eine Anordnung gemäß der Erfindung dargestellt, mit der es möglich ist, unter Verwendung einer Thermo-Kamera eine Regelung der Schmelze in einem Vakuumofen oder dergleichen vorzunehmen. Diese Anordnung weist eine Einrichtung 60 auf, mit der es möglich ist, den Temperaturgradienten entlang der z-Achse (Fig. 1) zu ermitteln. Bei der Ermittlung eines Gradienten ist es nicht erforderlich, die absoluten Werte zu kennen; es genügt, wenn die Differenzwerte ermittelt werden. Differenz wertbildungen bei Bildern, die aus Punkten oder Pixeln aufgebaut sind, sind beispielsweise auf dem Gebiet der Autofokuskameras bekannt (vgl. US-PS 42 18 119, Fig. 2 bis 5). Dort werden die Helligkeitsunterschiede benachbarter Punkte ermittelt, um den Kontrast zu errechnen, der aussagt, ob ein Bild scharf (=großer Kontrast) oder unscharf (=kleiner Kontrast) eingestellt ist. Diese aus der Autofokus-Technik bekannte Methode kann auch im vorliegenden Fall zur Anwendung kommen, um den Temperaturgradienten zu ermitteln. Darüber hinaus ist es sogar möglich, mit Hilfe einer Thermokamera auch Aussagen über die absoluten Temperaturen zu machen.

Infrarotkameras verfügen allerdings im Gegensatz zu üblichen Strahlungs- Thermometern meist über keine unmittelbar Anzeige einer Spannung, die der Temperatur eines schwarzen Strahlers als Bezugswert entspricht. Mit Hilfe eines Einstellreglers für Isothermen, der mit einer genauen Skala versehen ist, können jedoch Differenzen der Ausgangsspannungen S_m von zwei verschiedenen Meßpunkten bestimmt werden. Für Strahlungsmessungen mit Pyrometern gilt allgemein die Grundgleichung (vgl. U. Mester: Temperaturstrahlung und Strahlungsthermometer, Feinwerktechnik +Micronic, 76. Jahrg., 1972, Heft 1, S. 15 bis 20):

S_m = S_w(1-ε) S_u

wobei S_m die Ausgangsspannung eines Pyrometers bedeutet, das auf einen schwarzen Strahler (ε = 1) mit der Temperatur T_m gerichtet ist. T_m ist die von dem Pyrometer tatsächlich angezeigte Temperatur bei einer Emissionsgradeinstellung auf ε = 1. S_w bedeutet die Ausgangsspannung eines Pyrometers, das auf einen schwarzen Strahler (ε = 1) mit der Temperatur T_w gerichtet ist. T_w ist die wahre Temperatur des Meß objekts. S_u bedeutet die Ausgangsspannung eines Pyrometers, das auf die durch Reflexion an der Oberfläche des Meßobjekts mitgemessene Umgebung, in der Regel die Wand des Meßraums, gerichtet ist. T_u ist die gemessene Temperatur der Umgebung, also der Meßraumwand, während ε den Emissionsgrad des Meßobjekts bezeichnet.

Wird also bei einer Infrarot-Kamera eine Referenzstelle bekannter Temperatur und bekannten Emissionsgrads mitgemessen, ist es mittels des Einstellreglers möglich, die absolute Temperatur eines Meßobjekts genau zu bestimmen. Stellt man die Isothermen der Kamera einmal auf das Meßobjekt mit der wahren Temperatur T_w1 und dem Emissionsgrad ε₁ und anschließend auf die Referenzstelle mit der wahren Temperatur T_w2 mit dem Emissionsgrad ε₂ ein, so erhält man eine Spannungsdifferenz

ΔS_m = S_m1-S_m2 = ε₁S_w1+(1-ε₁)S_u-[ε₂S_w2+(1-ε₂)S_u]

woraus folgt

ΔS_m = ε₁[S_w1-S_u]-ε₂[S_w2-S_u]

In der Praxis ist es sehr oft nur erforderlich, die Temperaturverteilung an der Oberfläche eines bestimmten Objekts zu bestimmen. Ist nun die Temperatur an einer bestimmten Stelle des Objekts bekannt, so läßt sich diese Stelle als Referenz benützen. Da der Emissionsgrad der Oberfläche des Meßobjekts in vielen Fällen als konstant angesehen werden kann, vereinfacht sich die obige Gleichung für ε₁ = ε₂ = ε zu

ΔS_m = ε[S_w1-S_w2]

Die Temperaturbestimmung wird dadurch unabhängig von der Umgebungs temperatur T_u. Bei bekanntem Emissionsgrad kann die Temperatur differenz ΔT_w = T_w1-T_w2 mit Hilfe einer Eichkurve oder eines für die IR-Kamera erstellten Nomogramms schnell und bequem aus der gemessenen Differenz der Isothermenwerte ΔS_m ermittelt werden.

Die Anordnung gemäß Fig. 3 weist neben der bereits erwähnten Einrichtung 60 für die Ermittlung des Temperaturgradienten auch noch eine Einrichtung 106 auf, welche aufgrund von Signalen aus der Thermokamera 49 die tatsächliche Temperatur T_ist an einem Punkt ermittelt, sowie eine weitere Einrichtung 64, welche aus Informationen aus der Thermo-Kamera 49 die tatsächliche Erstarrungsfront V_Eist ermittelt. Mit Hilfe eines grad T- Reglers 108, der mit der Differenz von Soll- und Istwert von grad T be aufschlagt wird, werden über einen Schalter 107 Heizungswicklungen 22, 23, 24 über Heizverhältnisregler 63 mit der Soll-Temperatur T_soll1 bzw. T_soll2 bzw. T_soll3 beaufschlagt. Mit dem Schalter 107 kann von dem grad T-Regler 108 auf einen T-Regler 110 umgeschaltet werden, der mit der Differenz zwischen T_soll und T_ist beaufschlagt wird. Die Differenz aus V_Eist und V_Esoll wird auf einen V_E-Regler 109 gegeben, der ein Ausgangssignal abgibt, das mit V_Eist verglichen wird und für die An steuerung eines Motor-Reglers 67 dient, der den Motor 104 ansteuert. Die Größe V_Eist wird mittels eines Tachodynams 105 ermittelt, der mit dem Motor 104 verbunden ist, der die verschiebbare Stange 59 bewegt, auf der sich die Kühlplatte 68 befindet.

Mit der Anordnung gemäß Fig. 3 ist es somit möglich, unter Verwendung der Thermo-Kamera 49 die vertikal fortschreitende Erstarrungszone 48 durch entsprechendes Abziehen der Kühlplatte 68 mittels des Motors 104 quasi stationär oder um die Kristallisation zu beeinflussen im Bereich der Kühlstrecke 33 vor- oder nacheilend einzustellen und den für die Erstarrungszone typischen Temperaturgradienten bzw. die Temperatur - durch Umschalten mittels des Schalters 107 - an dieser Stelle über die Heizeinrichtungen 101 bis 103 zu beeinflussen.

Die Thermo-Kamera 49 beobachtet die sich an der Gießform 39 abbildenden Temperaturverhältnisse der in ihr befindlichen Schmelze. Durch entsprechende Einstellung der Bildfläche der Kamera können ausreichend viele Temperaturpunkte in vertikaler Richtung ermittelt und daraus durch Differenzbildung über den Meßpunktabständen die entsprechenden Temperatur gradienten gebildet werden, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 1b bereits beschrieben wurde.

Mittels der Erstarrungstemperatur und dem Temperaturgradienten kann die Übergangszone fest/flüssig ermittelt werden sowie auch deren zeitliches Fortschreiten, was der Erstarrungsgeschwindigkeit V_E entspricht. Der Istwert V_Eist, der durch die Einrichtung 64 aus den Informationen der Thermo-Kamera 49 ermittelt wird, wird mit dem Sollwert der Er starrungsgeschwindigkeit V_Esoll verglichen und dem Regler 109 zugeführt, dessen Ausgang mit dem die Abzugsgeschwindigkeit V_A einstellenden Motorregler 67 verbunden ist. Die Abzugsgeschwindigkeit V_A wird so geregelt, daß sich die Erstarrungszone 48 möglichst an einer gewünschten Stelle der Kühlstrecke 33 befindet.

Aufgrund der Möglichkeit der Thermo-Kamera 49, gleichzeitig viele Punkte innerhalb ihres Blickfelds zu messen, kann auch ein Bezug der Temperaturpunkte zur Position der Erstarrungszone abgeleitet werden. Mittels des von der Einrichtung 60 gelieferten Istwerts des Temperaturgradienten oder des von der Einrichtung 106 gelieferten Istwerts der Temperatur selbst kann über die Heizregler 101 bis 103 der Gradient beeinflußt werden.

Eine Variante der Anordnung gemäß Fig. 3 ist in der Fig. 4 gezeigt. Mit dieser Anordnung ist es möglich, erst bei Überschreiten einer bestimmten Erstarrungsgeschwindigkeit die Heizung nachzustellen. Hierfür ist ein V_E- Ablöse-Regler 120 vorgesehen, auf dessen Eingang die Differenz von V_Emax und V_Eist gegeben wird und der über einen Schalter 121 grad T_soll bzw. über einen Schalter 122 T_soll liefert. An die Thermo-Kamera 49 ist zu sätzlich eine Einrichtung 111 für die Ermittlung der Ortskoordinate der Erstarrungsfront angeschlossen.

Ein Absenken der Stange 59 und der Kühlplatte 68 und damit der Gießform 39 bewirkt, daß die Schmelze von der Heizeinrichtung 22, 23, 24 wegbewegt wird, während ein Anheben von Stange 59 und Kühlplatte 68 die Schmelze in die Nähe der Heizeinrichtung 22, 23, 24 bringt. Die Abkühlung der gesamten Schmelze in der Gießform 39 ist um so größer, je größer der Wärmegradient und je größer die Absenkgeschwindigkeit sind.

Bei dem Einsatz optischer Methoden zur Erfassung der Temperaturen eines Gießstücks ergeben sich im wesentlichen zwei Probleme: das Problem der Temperaturdifferenzen über die Dicke der Formschale 39 und das Problem des Streulichts, das von den Heizelementen 22 bis 24 direkt auf die Außenseite der Formschale 39 gelangt.

Das erstgenannte Problem entsteht dadurch, daß zwischen der Innen- und der Außenseite der Formschale 39 Temperaturdifferenzen auftreten, wodurch die von der Thermokamera 49 erfaßte Außentemperatur nicht exakt die Innentemperatur widerspiegelt. Selbst bei dünnen Schalen treten Temperaturdifferenzen von 40° bis 70°C auf, d. h. eine unmittelbare Zuordnung zwischen Oberflächentemperatur und Temperatur des Gußstücks ist praktisch nicht möglich.

Dieses Problem kann jedoch dann umgangen werden, wenn aus der gemessenen Oberflächentemperatur mit Hilfe der lokalen Formschalendicke und mittels des Emissionskoeffizienten auf die Temperatur des Gußstücks zurückgerechnet wird. Da Dickenvariationen der Formschale aufgrund von Fertigungstoleranzen und unkontrollierten Änderungen des Emissions koeffizienten auf diese Weise nicht eleminierbar sind, kommt es darauf an, hochgenau hergestellte Formschalen zu verwenden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, durch ein Thermoelement oder dergleichen an einem Punkt die Ist-Temperatur der Schmelze zu erfassen und die von der Thermo- Kamera festgestellte Temperatur durch diesen Ist-Wert zu führen, d. h. in der Regel um einen konstanten Betrag zu erhöhen. Wichtig ist dabei, daß die Temperaturen auf der Außenseite der Formschale ein genaues Abbild der Temperaturen auf der Innenseite darstellen, die nur durch einen konstanten Maßstabsfaktor verschoben sind. Eine Verzerrung der Abbildung in vertikaler Richtung, die zu Meßfehlern führen kann, läßt sich weitgehend dadurch vermeiden, daß die Formschale 39 eine gute Wärme leitfähigkeit besitzt oder wenigstens in vertikaler Richtung sandwichartig aufgebaut ist, wobei sich eine gut wärmeleitende Schicht an eine schlecht wärmeleitende Schicht anschließt. Als Formschalenmaterial kommen hochhitzebeständige Metalle oder Metallegierungen in Frage, die innen durch eine Keramikschicht ausgekleidet sein können, damit es zu keiner chemischen Reaktion zwischen dem Formschalenmaterial und der Schmelze kommt.

Das Streulichtproblem entsteht dadurch, daß die durch Strahlung indizierte Temperatur der Außenseite der Formschale 39 aus zwei Komponenten besteht: der Komponente, die aufgrund des Durchstrahlens der Schmelze bis zur Außenwand der Formschale 39 entsteht, und der Komponente, die aufgrund der direkten Aufstrahlung der Heizelemente 22 bis 24 auf die Außenwand der Formschale 39 bewirkt wird. Die Thermokamera 49 wird aufgrund dieser direkten Einstrahlung eine höhere Temperatur auf der Außenseite der Formschale 39 feststellen, als der Innentemperatur der Schmelze entspricht. Um diesen Fehler zu kompensieren, ist es möglich, durch entsprechende optische Filter vor dem Objektiv der Thermokamera 49 den Einfluß der direkten Einstrahlung der Heizelemente 22 bis 24 zu eliminieren. Die Strahlungskurve S=f(λ) der Heizelemente 22 bis 24 unterscheidet sich von der Strahlungskurve S′=f(λ), die durch die Schmelze hervorgerufen wird, so daß mittels eines Filters S=f(λ) weg gefiltert werden kann und nur noch ein Strahlungsbereich verbleibt, der von der Schmelze herrührt.

Die Oberflächentemperatur eines strahlenden Körpers kann bekanntlich einerseits aus der absoluten Intensität der abgegebenen Strahlung und andererseits dem Verhältnis der Intensitäten aus zwei oder mehr Wellenlängen bestimmt werden. Dieser Umstand kann bei der Erfindung dahingehend genutzt werden, daß zwei oder mehr Wellenlängen, die für die Strahlung der Schmelze und nicht für die Strahlung der Heizelemente charakteristisch sind, etwa mit Hilfe von Interferenzfiltern ausgeblendet und für die Temperaturführung herangezogen werden. Ferner ist es möglich, von verschiedenen Tiegel-Schmelze-Kombinationen Eichkurven mit der Thermokamera aufzunehmen und in einem Computer oder dergleichen abzuspeichern. Diese Eichkurven werden, nachdem die Schmelze auf ihre höchste Temperatur gebracht worden ist, bei abgeschalteter Heizung aufgenommen, so daß kein Streulicht auftritt.

Claims

1. Einrichtung zum meßtechnischen Erfassen des Temperaturverlaufs einer Metall- oder Metallegierungsschmelze in einem Behälter, der von einer Heizeinrichtung und einer Abkühleinrichtung beeinflußbar ist, gekennzeichnet durch

a) eine Wärme-Kamera (49), welche einen bestimmten Bereich des Behälters (39) auf einer Fläche (54) wärmemäßig abbildet;
b) eine erste Einrichtung (60), welche aufgrund von Daten, welche die Wärme-Kamera (49) liefert, den Wärmegradienten entlang wenigstens einer Koordinate des Behälters (39) ermittelt und die Heizeinrichtung in Abhängigkeit von dem Wärmegradient steuert;
c) eine zweite Einrichtung (64), welche aufgrund von Daten, welche die Wärme-Kamera (49) liefert, die Erstarrungsgeschwindigkeit der Schmelze entlang wenigstens einer Koordinate des Behälters (39) ermittelt und die Abkühleinrichtung (68) in Abhängigkeit von der Erstarrungsgeschwindigkeit steuert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Einrichtung (106) vorgesehen ist, welche aufgrund von Daten, welche die Wärme-Kamera (49) liefert, innerhalb ihres Blickfelds die Temperatur an jedem beliebigen Punkt des Behälters (39) ermittelt und diese dem Meßort zuordnet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine vierte Einrichtung (109) vorgesehen ist, welche aufgrund von Daten, welche die Wärme-Kamera (49) liefert, die Positionen bestimmter Stellen des Meßfelds erfaßt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmegradient durch zeilenweises Abtasten des auf der Fläche (54) abgebildeten Bildes und durch Vergleich aufeinanderfolgender Zeilen ermittelt wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmegradient duch punktweises Abtasten des auf der Fläche (54) abgebildeten Bildes und durch Vergleich aufeinanderfolgender Punkte ermittelt wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Er starrungsgeschwindigkeit durch wiederholtes Erfassen der Position der Phasengrenze (48) entlang wenigstens einer Koordinate und durch die Bildung des Quotienten aus wenigstens zwei Positionen und der Zeit, die vom Übergang von der einen in die andere Position verging, ermittelt wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heiz temperatur-Regler (62) vorgesehen ist, der eine Heizungstemperatur in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Soll-Temperaturgradient und Ist- Temperaturgradient einstellt.

8. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heiz verhältnisregler (63) vorgesehen ist, der die von dem Heiztemperatur- Regler (62) eingestellte Temperatur auf wenigstens zwei Heizungs wicklungen (22, 23) aufteilt.

9. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ein richtung (66) für die Einstellung der Absenkgeschwindigkeit der Abkühl einrichtung (68) vorgesehen ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (50, 51) für die Abschirmung der Wärme-Kamera (49) gegen störende Wärme- und Infrarotlichtquellen vorgesehen ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung für die Bildung des Produkts von Erstarrungsgeschwindigkeit und Temperaturgradient vorgesehen ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme- Kamera (49) oberhalb der Abkühleinrichtung (33, 68) angeordnet ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine vertikal verschiebbare Stange (59) mit einer Kühlplatte (68) vorgesehen ist, auf der sich eine Gießform (39) befindet, die an einer Heizeinrichtung (22, 23, 24) vorbeibewegt werden kann, die aufgrund von Daten aus der Wärme-Kamera (49) mehr oder weniger aufgeheizt wird.

14. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikale Antrieb der Stange (59) und die Aufheizung durch die Heizeinrichtung (22, 23, 24) so erfolgen, daß ein vor gegebenes Erstarrungsverhältnis einer Metall- oder Metallegierungsschmelze erzielt wird.

15. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermo kamera (49) ein optisches Filter enthält, das nur diejenige Strahlung durch läßt, die von dem in der Formschale (39) befindlichen Material ausgeht, während es diejenige Strahlung ausblendet, die von der Heizeinrichtung (22 bis 24) oder anderen Störstrahlungsquellen herrührt.

16. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form schale (39) aus einem gut wärmeleitenden Material besteht und daß die Innenwand der Formschale mit einem keramischen Material überzogen ist.

17. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Thermokamera (49) erfaßten Temperaturen der Außenseite der Formschale (39) mit Hilfe der bekannten Dicke und der bekannten Strahlungseigenschaften der Formschale (39) auf die tatsächlichen Temperaturen des in der Formschale (39) befindlichen Materials umgerechnet werden.

18. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form schale (39) in vertikaler Richtung sandwichartig aufgebaut ist, wobei eine gut wärmeleitende Schicht auf eine schlecht wärmeleitende Schicht folgt.

19. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tat sächliche Temperatur der Schmelze an einem Punkt mittels eines Thermo elements oder dergleichen erfaßt wird und diese erfaßte Temperatur als Führungsgröße verwendet wird.

20. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei er hitzter Schmelze und abgeschalteter Heizung (22 bis 24) mit Hilfe der Thermokamera (49) Eichkurven aufgenommen und abgespeichert werden.